Začínáme s elektronikou – I

Posted on Author Michal Šika

Všechny začátky bývají těžké. Toto staré přísloví platí i pro začátky v elektronice. Aby noví zájemci o elektoniku věděli, jak a čím začít, a jak a co funguje, připravil jsem tento seriál, kde se postupně vše dozvíte. Vycházet bude o pátečních večerech přibližně jednou za čtrnáct dnů. Chce to vytrvat a sami uvidíte, že ta první věta nebude dlouho platit.

Zdroje elektrické energie

Určitě každý zná spoustu zdrojů elektrické energie, např. elektrickou síť, baterii, akumulátor v autě, dynamo na kole, atp.

V elektronice se pro přenosné přístroje (např. rádiové přijímače apod.) používají chemické články, které na elektřinu přeměňují energii získanou reakcí chemických látek. Pro zapojení v této sérii budeme používat jako zdroj plochou baterii, která v součanosti ustupuje do pozadí při použití v moderních přístrojích, ale pro naše účely je naprosto dokonalá.

Elektrické obvody uvedené v této sérii článků NIKDY nezapojujte do elektriké zásuvky! Obvody jsou určeny POUZE pro bezpečné stejnosměrné napětí získané z baterií!
Sériové zapojení elektrických článků (plochá baterie)

Když si plochou baterii prohlédneme podrobněji (nebo si vybitou rozebereme) zjistíme, že se skládá ze tří článků uzavřených a zaizolovaných v obalu. Každý článek je vlastně monočlánek, jako tužková baterie, s napětím 1,5V. V ploché baterii jsou tyto články zapojeny sériově, tedy za sebou, čímž výsledné napětí dává 4,5V (voltu).

Jak je vidět na obrázku, články jsou zapojeny tak, že čepička (plus pól) jednoho článku je spojena s kalíškem (mínus pól) dalšího článku.

Schématické značky pro monočlánek (jednu tužkovou baterii) a plochou baterii jsou na obrázku vlevo.

Na schématické značce baterie se póly jednotlivých článků neoznačují.

Navíc se ve schématech u baterií označuje znaménkem pouze kladný pól, a to z důvodu, že některé obvody se napájejí tzv. symetrickým napětím, tedy +- 9V apod. Nejčastěji to bývají operační zesilovače. Ale k těm se dostaneme později.

Elektrické napětí

U každého zdroje elektrické energie nalezneme nejdůležitější údaj, a to je elektrické napětí, které zdroj dodává. Základní jednotkou je 1 V (volt). 

Napětí ve schématech a výpočtech označujeme písmenem U. Takže označení napětí jednoho článku bude např. U = 1,5 V. Pokud zapojíme tři články podle způsobu, který je znázorněn na obrázku výše, tedy do série, jejich napětí se budou sčítat. Výsledné napětí tedy bude U = 1,5 + 1,5 + 1,5 = 4,5 V. 

V elektrických obvodech se ale setkáme ještě s dalšími veličinami a to jsou elektrický odpor a elektrický proud.

Elektrický odpor

Každá součástka klade průtoku elektrického proudu určitý odpor. Velikost tohoto odporu závisí hlavně na průřezu materiálu, jímž el. proud prochází a na vlastostech tohoto materiálu. Materiály, které průtoku el. proudu kladou malý odpor nazýváme vodiče. Jsou to hlavně měď, hliník, stříbro, zlato a další kovy. Materiály, jenž kladou velký odpor nazýváme izolanty. Izolanty jsou např. sklo, papír, porcelán, plasty, guma (pryž) a další.

Elektrický odpor ve schématech značíme písmenem R, a jeho jednotkou je jeden ohm. Ohm značíme řeckým písmenem Ω (omega). Odpor 1 ohm pak napíšeme: R = 1 Ω.

Elektrický proud

Elektrický proud se označuje písmenem I, a jeho jednotkou je ampér. Ampér označujeme písmenem A. Proud jednoho ampéru pak napíšeme: I = 1 A.

Ohmův zákon

Ohmův zákon je vlastně matematický vztah mezi výše uvedenými veličinami, tedy mezi elektrickým napětím, proudem a odporem:

    \[ {I} =\left {U}\over{R} \]

Tento vztah se nazývá Ohmův zákon a znamená, že velikost proudu je přímo úměrná napětí a nepřímo úměrná odporu.

To lze vyjádřit i jinými způsoby, např:

  • čím větší napětí, tím větší proud, při stálém odporu,
  • čím menší odpor, tím větší proud, při stálém napětí,
  • čím větší odpor, tím menší proud, při stálém napětí.

Prakticky to znamená, že známe-li velikost dvou veličin, můžeme spočítat veličinu třetí. Pro to si vzoreček můžeme upravit následovně:

    \[ {U} =\left {R} \times {I} \]

nebo

    \[ {R} =\left {U}\over{I} \]

V podstatě neexistuje žádný elektrický obvod, ve kterém by vztahy mezi těmito třemi veličinami neplatily.

Příklad 1:

K baterii o napětí U = 6 V připojíme odporový drát s odporem R = 10 Ω. Jaký proud bude obvodem protékat?
Do rovnice

    \[ {I} =\left {U}\over{R} \]

dosadíme známé hodnoty. Tedy:

    \[ {I} =\left {6}\over{10} \right= 0,6 A \]

Drátem tedy bude procházet proud 0,6 A.

Příklad 2:

Jaké bude napětí zdroje, jestliže elektrickým motůrkem s odporem vinutí R = 12 Ω, prochází proud I = 2 A?

Neznámé napětí zjistíme z rovnice

    \[ U =\left R \times I \]

kam dosadíme hodnoty:

    \[ U =\left 12 \times 2 =\left 24 V \]

Zdroj má tedy napětí 24 V.

Někdy je výpočet pomocí Ohmova zákona výhodnější než měření. Např. studené vlákno žárovky (když nesvítí) má mnohem menší odpor než když je teplé. V tomto případě je výpočet mnohem jednodušší než měření.

Příklad 3:

V kapesní svítilně (baterce) svítí žárovka, která má hodnoty 3,5 V / 0,3 A. Jaký je odpor vlákna (za tepla)? Známe napětí U = 3,5 V a proud I = 0,3 A. 

Vezmeme vzorec

    \[ R =\left {U}\over{I} \]

kam dosadíme hodnoty a vypočítáme odpor

    \[ R =\left {3,5}\over{0,3} \right = 11,6 Ω \]

Výsledný odpor vlákna „za tepla“ je 11,6 Ω. (Pro zajímavost, „za studena“ naměříme ohmmetrem odpor cca 2 Ω.)

Kirchhoffův zákon

Podobně jako Ohmův zákon patří k základním vztahům, kterými se řídí elektronika. Kirchhoffův zákon řeší výpočty procházejícího proudu v paralelních větvích elektronických obvodů.

Při paralelním spojení odporů (spotřebičů) prochází obvodem proud, který se rovná součtu proudů v jednotlivých větvích -> I = I1 + I2 + I3. Kteroukoliv větví tedy prochází menší proud než nerozvětvenou (společnou) částí elektrického obvodu.

A dále platí že, při paralelním spojení odporů se výsledný odpor zmenší. Je vždy menší, než nejmenší odpor ve větvi.

    \[ R =\left {R1}\times{R2}\over{R1}+{R2} \]

Podle tohoto vzorečku zjistíme výsledný odpor dvou odporů zapojených v obvodu paralelně – viz obrázek.

Příklad 4:

Jaký je výsledný odpor dvou rezistorů zapojených paralelně, jestliže jeden má označení 4k7 a druhý 5k6?

Výpočet:

    \[ R =\left {R1}\times{R2}\over{R1}+{R2} \right =\left {4700}\times{5600}\over{4700}+{5600} \right = 2555 \]

Výsledný odpor R = 2555 Ω. Je tedy menší než odpor rezistoru s nejmenší hodnotou. Paralelní dvojice se tedy projevuje jako jeden rezistor s odporem 2,6 kΩ.

Dvojice rezistorů má oproti samostatnému rezistoru výhodu v tom, že ji můžeme zatížit větším výkonem.

Zatím samá teorie. Ale nezoufejte, už příště si začneme popisovat různé elektronické součástky, abychom věděli, na co se která používá.

Michal Šika - OK1MSI